История микроконтроллеров от их зарождения до современных тенденций

Наука и техникаHi-Tech

Карманные мозги, что управляют всем: микроконтроллеры от первых 4-бит до IoT-революции

Степан Бурмистров

Исторический обзор появления микроконтроллеров

Микроконтроллеры возникли из потребности создать маленький компьютер на одном чипе, способный управлять устройствами дешевле, чем связка отдельного процессора, памяти и периферии. Первый в мире микропроцессор Intel 4004 (1971) требовал множество внешних микросхем памяти и логики, что делало его применение в массовых приборах слишком дорогим.

Прорыв произошел в 1974 году, когда инженеры Gary Boone и Michael Cochran из Texas Instruments создали первый микроконтроллер TMS1000. Этот чип объединил в одном корпусе 4-битный процессор (CPU), встроенную память (ПЗУ) с программой, оперативную память (ОЗУ) для данных и тактовый генератор – полноценную встраиваемую систему на кристалле. Вскоре микроконтроллеры начали быстро распространяться: японские производители электроники в 1970-х внедряли микроконтроллеры в автомагнитолы, электронные замки, а также в системы управления двигателем автомобилей.

Как программировались первые микроконтроллеры

Программирование ранних микроконтроллеров было настоящим искусством. Изначально инженеры писали код в машинном языке, то есть вручную составляли последовательности двоичных кодов (0 и 1) для каждой инструкции, а затем записывали их в ПЗУ устройства.

Например, простейшая операция сложения могла выглядеть как набор битов 1000 0001. Подобные «магические числа» нужно было знать и рассчитывать самому. Это было весьма утомительно и чревато ошибками, поэтому вскоре появились инструментальные программы – ассемблер. Ассемблер позволял записывать программу в виде понятных мнемонических команд (например, ADD R1 вместо двоичного кода), а затем автоматически переводил их в машинный код для конкретного микроконтроллера. Такой подход заметно ускорил разработку и снизил вероятность ошибок.

Объемы памяти первых микроконтроллеров были очень малы (первые чипы имели всего несколько сотен байт, для сравнения: этот текст во много раз больше). Поэтому программистам приходилось писать крайне оптимизированный код, чтобы уложиться в доступные ресурсы.

Высокоуровневые языки в те годы только зарождались: компиляторы для Си или Фортрана существовали в основном для больших компьютеров, а не для крохотных микроконтроллеров. Таким образом, ассемблер стал главным языком первых поколений микроконтроллеров.

Для загрузки программы в микроконтроллер применялись различные методы. Как отмечалось, массовые тиражи чипов обычно программировались “навекиˮ на заводе (mask ROM). Однако разработчикам нужна была отладка, поэтому появились перепрограммируемые микроконтроллеры. Ранние образцы требовали особых приборов: микросхему помещали в программатор, стирали ультрафиолетовой лампой (в случае EPROM) и заново записывали код. Это был долгий цикл. К счастью, с появлением EEPROM и флеш-памяти процесс упростился: достаточно было подключить устройство к компьютеру через специальный программатор или интерфейс. Сегодня загрузка новой прошивки зачастую осуществляется по USB нажатием одной кнопки, что контрастирует с “ручным“ стилем программирования первых MCU.

(Пример: один из первых контроллеров – Intel 8048 – программировался разработчиком с помощью ассемблера Intel MCS-48. Инженер набирал код командами вроде MOV A,#0x5 (загрузить число 5) и компоновал их, следя за тем, чтобы итоговый машинный код поместился, к примеру, в 1 килобайт ПЗУ. Каждая ошибка означала перезапись чипа через EPROM-программатор и новую проверку.)

Появление Arduino и причины его популярности

К началу 2000-х программирование микроконтроллеров оставалось уделом энтузиастов и инженеров, требуя знаний электроники и низкоуровневого кода. Прорыв в популяризации микроконтроллеров произошел с появлением платформы Arduino. Проект Arduino стартовал в 2005 году в Итальянском Институте Дизайна (Interaction Design Institute Ivrea) под руководством Массимо. Целью было создать доступный и недорогой инструмент для художников, дизайнеров, студентов, который позволил бы им использовать микроконтроллеры в своих интерактивных проектах без глубоких знаний электроники и архитектуры микроконтроллеров.

Arduino состоит из аппаратной части (печатной платы с микроконтроллером AVR от Atmel, например ATmega328P на самой распространенной плате Arduino Uno) и простой среды разработки (Arduino IDE). Ключевой особенностью стало то, что плата продавалась уже с прошитым загрузчиком: для записи программы не требовался внешний программатор, достаточно обычного USB-кабеля. Язык программирования основан на упрощенном C/C++ (среди разработчиков известен как Wiring). Он интуитивно понятен, имеет множество готовых библиотек для работы с датчиками, моторчиками, дисплеями и т.д. Это снизило порог вхождения до минимума: даже новичок мог заставить мигать светодиод или опрашивать датчик с помощью нескольких строк кода.

Создание подобной машинки стало делом нескольких часов работы, что вовлекало все больше энтузиастов.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

План эвакуации: от ГОСТа ни на шаг! План эвакуации: от ГОСТа ни на шаг!

О применении программы «План эвакуации» на практике

Наука и техника
Откуда что пошло на флоте Откуда что пошло на флоте

Повседневная жизнь на парусном военном корабле XVIII века

Наука и техника
Космос уходит в интернет Космос уходит в интернет

На чем зарабатывают операторы спутниковых систем

Эксперт
Мир экзопланет: самые странные экзопланеты Мир экзопланет: самые странные экзопланеты

Как появляются пульсарные планеты, планеты-зомби и бланеты

Наука и техника
Горят ли окна в министерстве обороны? Горят ли окна в министерстве обороны?

Чем так напугали Кремль «американские военные планы»?

Дилетант
Автономный шестилапый робот «MICROBRO» Автономный шестилапый робот «MICROBRO»

Как создать ровер, который сам везет ваш багаж туда, куда вам нужно?

Наука и техника
Рабби Давид из люфтваффе Рабби Давид из люфтваффе

В 2019 году Бундестаг одобрил введение в Германии военного раввината

Дилетант
Американские горки Американские горки

Группа БКС возобновила торги американскими бумагами через свой инвестбанк

Ведомости
Техника перехода Техника перехода

Как устроены трансферы в российском фигурном катании

Ведомости
История продолжается История продолжается

В этом интерьере соединились элементы «родной» архитектуры дома и mid-century

Идеи Вашего Дома
От Цезаря до эльфа Добби: что такое иллеизм и зачем говорить о себе в третьем лице От Цезаря до эльфа Добби: что такое иллеизм и зачем говорить о себе в третьем лице

Почему люди говорят о себе в третьем лице и как это помогает решать конфликты?

Forbes
В Словакии обнаружили средневековое золотое кольцо с корундом со Шри-Ланки В Словакии обнаружили средневековое золотое кольцо с корундом со Шри-Ланки

Археологи описали необычное золотое кольцо, найденное в словацком городе Зволен

N+1
Млечный Путь и Андромеда прямо сейчас мчатся навстречу друг другу — космический апокалипсис или слияние галактик? Млечный Путь и Андромеда прямо сейчас мчатся навстречу друг другу — космический апокалипсис или слияние галактик?

Млечный Путь и Андромеда сейчас стремительно движутся навстречу друг другу

Inc.
Все в театр Все в театр

В Москве стартовал «Театральный бульвар», и он станет самым продолжительным

Ведомости
Мир экзопланет: как на орбитах у других солнц были открыты «непланеты» Мир экзопланет: как на орбитах у других солнц были открыты «непланеты»

О том, как обнаруживаются экзопланеты и какими они бывают

Наука и техника
«Позеленение» Арктики: как его оценить и о чём оно свидетельствует «Позеленение» Арктики: как его оценить и о чём оно свидетельствует

Как арктические экосистемы приспосабливаются к изменениям климатических условий

Наука и жизнь
900 запусков ракет в космос выдержит атмосфера Земли. Далее – разрушение озонового слоя 900 запусков ракет в космос выдержит атмосфера Земли. Далее – разрушение озонового слоя

Сколько запусков ракет происходит ежегодно и как это воздействует на атмосферу?

ТехИнсайдер
Сплю и вижу Сплю и вижу

Зачем человеку сны и почему они иногда кажутся вещими?

Вокруг света
В европейском духе В европейском духе

Дом в стиле конструктивизма, построенный в 1931 г. таил сюрпризы…

Идеи Вашего Дома
В ожидании телепортации В ожидании телепортации

Передовые технологии помогут сблизить скорость данных и перемещений

Монокль
Хакеры пошли на завод Хакеры пошли на завод

Хакеры продолжают атаки на промышленные предприятия, их цель — шпионаж

Ведомости
Банки из доставки Банки из доставки

Маркетплейсы бросают вызов традиционным кредитным организациям

Деньги
Музей «Полторы комнаты» Музей «Полторы комнаты»

«Полторы комнаты» выросли из частного музея-квартиры Иосифа Бродского

Собака.ru
Посвящено Беатриче Посвящено Беатриче

Он не смел поверить, что Биче исчезла навсегда. Его мир рухнул

Наука и жизнь
Без церемоний Без церемоний

Актриса Саша Бортич – о безумстве ради искусства и всепоглощающей силе любви

VOICE
Искусство для искусства Искусство для искусства

Стильный интерьер для коллекционеров современного искусства

SALON-Interior
Есть на что строить Есть на что строить

Зачем создавать отдельный механизм финансирования — инфраструктурные облигации?

Монокль
Испанские авианосцы на мировом рынке Испанские авианосцы на мировом рынке

Что помогло определиться с основными требованиями к универсальному авианосцу

Наука и техника
Петр Ефремов — Forbes: «Российское виноделие в возрасте начала плодоношения» Петр Ефремов — Forbes: «Российское виноделие в возрасте начала плодоношения»

Об условиях, в которых развивается российское виноделие

Forbes
Надо поднажать Надо поднажать

Коруги, буккальный и другие – актуальные массажные техники для лица и тела

VOICE
Открыть в приложении